вал

Формула изобретения

Вал, содержащий, по меньшей мере, две детали, вставленные одна в другую и соединенные между собой, отличающийся тем, что наружная деталь имеет толщину стенки 0,4-1,0 мм и выполнена из материала, предел прочности, предел текучести и предел выносливости которого соответственно на 20-25% ниже предела прочности, предела текучести и предела выносливости материала внутренней детали.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к машиностроению, в частности к конструкциям валов, и может быть использовано в соединительных валах коробок передач, например, авиационного газотурбинного двигателя.

Известен соединительный вал, предназначенный для передачи крутящего момента. Вал выполнен цельным, а передача крутящего момента осуществляется при помощи фланцевых соединений, стянутых болтами (см. Никитин Ю.М. Конструирование элементов деталей и узлов авиадвигателей, - М.: Машиностроение, 1968, стр.107).

К недостаткам такого вала следует отнести:

- высокую вероятность его разрушения от комплекса внешних нагрузок. Под воздействием знакопеременных нагрузок, изгибающего и крутящего моментов в поверхностном слое вала зарождаются и развиваются микротрещины, которые могут вызвать его разрушение до отработки заданного ресурса и соответственно аварийную ситуацию;

- при проведении ремонта вал полностью приходится менять на новый, что невозможно в условиях эксплуатации; процесс ремонта вала характеризуется высокой трудоемкостью, а при внеплановом ремонте и значительными дополнительными затратами.

Наиболее близким к предложенному валу является вал, содержащий по меньшей мере две детали, вставленные одна в другую и соединенные между собой (см. Типовые приемы устранения технических противоречий, по адресу: www. trizminsk.org/c/pr/pr40-l.htm, рис. 15 или Г.С.Альтшуллер. Алгоритм изобретения, Московский рабочий, 1973, с.141-177).

Недостаток известного вала заключается в том, что наружная и внутренняя детали выполнены из одного и того же материала, поэтому появление дефектов на наружной детали не может являться сигналом о том, что нагрузки на внутреннюю деталь близки к критическим. Это приводит к снижению надежности вала из-за невозможности исключения досрочного выхода вала из строя и из-за невозможности исключения аварийной ситуации при эксплуатации, а также к снижению ресурса вала из-за невозможности своевременной диагностики дефектов всех деталей вала.

Задача изобретения - повышение надежности работы и увеличение ресурса вала.

Указанный технический результат достигается тем, что у вала, содержащего по меньшей мере две детали, вставленные одна в другую и соединенные между собой, наружная деталь имеет толщину стенки 0,4-1,0 мм и выполнена из материала, предел прочности, предел текучести и предел выносливости которого соответственно на 20-25% ниже предела прочности, предела текучести и предела выносливости материала внутренней детали.

Такое выполнение позволяет рассматривать наружную деталь как “вал - сигнализатор”, поскольку под воздействием эксплуатационных нагрузок поверхностные дефекты на ее поверхности зарождаются раньше, чем на внутренней детали и развиваются быстрее. Появление дефектов на наружной детали является сигналом о том, что нагрузки на внутреннюю деталь близки к критическим. Благодаря своевременному проведению профилактических и ремонтных работ, замене дефектной наружной детали на новую удается избежать дефектов внутренней детали, повысить надежность работы устройства (двигателя) с данным валом и увеличить ресурс вала. Нижние границы указанных пределов прочностных характеристик - предела прочности, предела текучести и предела выносливости материала - это минимально допустимые величины с точки зрения безопасной работы. Увеличение верхних границ (более 25%) указанного диапазона приводит к снижению точности диагностики, что может привести к созданию аварийной ситуации при эксплуатации.

Конкретное значение толщины стенки наружной детали определяется исходя из общей толщины стенки, диаметра и длины вала при необходимых (заданных) прочностных характеристиках, таких как предел прочности, предел текучести и предел выносливости материала. Нижняя граница толщины стенки (0,4 мм) выбирается из условия обеспечения достаточной прочности и жесткости конструкции детали в процессе ее изготовления. Наружная деталь вала с толщиной стенки меньше 0,4 мм при изготовлении и сборке вала в большей степени подвергается различного рода деформациям и ее функция как сигнализатора существенно снижается.

Изготовление наружной детали вала с толщиной стенки больше 1,0 мм экономически не оправдано, так как неизбежна отбраковка наружной детали, и не оправдано с точки зрения увеличения веса, так как его увеличение создает трудности при разборке, транспортировке и проведении исследований состояния наружной детали.

Наружная деталь может быть выполнена из углеродистых сталей, а внутренняя деталь - из легированных сталей, поскольку для углеродистых сталей основные физико-механические характеристики (предел прочности, предел текучести, предел выносливости) ниже этих же прочностных характеристик легированных сталей.

Наружная и внутренняя детали могут быть выполнены из цветных сплавов: титановых, алюминиевых, магниевых и других, но при этом обязательно выполнения условия, что прочностные характеристики наружной детали должны быть на 20-25% ниже прочностных характеристик внутренней детали.

Наружная деталь может быть выполнена из цветных сплавов, а внутренняя деталь изготовлена из сталей, или наоборот: наружная деталь - из сталей, а внутренняя деталь - из цветных сплавов. Варианты выбора материала деталей могут быть и другие, но обязательно выполнение условия вышеуказанного соотношения прочностных характеристик (предела прочности, предела текучести и предела выносливости) материала наружной и внутренней детали.

Это позволяет наружной детали выполнять функцию сигнализатора для проведения профилактического осмотра, диагностики, а при необходимости ремонта не только вала, а всей связанной с ним системы деталей и узлов.

В табл. 1 приведены примеры материалов, которые могут быть использованы для деталей вала.

При изготовлении вала, содержащего больше двух деталей, только одна из них считается наружной. Все остальные детали по отношению к ней являются внутренними.

При изготовлении вала, содержащего несколько внутренних деталей (от двух и более), внутренние детали вала могут иметь как и одинаковую толщину стенок, так и различную толщину стенок в зависимости от эксплуатационных нагрузок и конструктивных особенностей.

При изготовлении вала, содержащего несколько внутренних деталей (от двух и более), внутренние детали вала могут иметь различные прочностные характеристики. Например, внутреннюю деталь, последующую за наружной деталью, можно выполнять из материалов, прочностные характеристики (предел прочности, предел текучести и предел выносливости) материала которых на 10-15% ниже последующей внутренней детали. При этом должно сохраняться условие: наружная деталь выполняется из материала, прочностные характеристики (предел прочности, предел текучести и предел выносливости) которого на 20-25% ниже внутренней детали. Такое выполнение дает возможность достаточно точно, с погрешностью 0,9, определить состояние внутренней детали, последующей за наружной деталью, не прибегая к операциям разборки и контроля.

В табл. 2 даны примеры использования титановых сплавов для такого вала.

Наружная и внутренняя деталь вала представляют собой пустотелые бесшовные изделия, преимущественно кольцевого сечения, открытые с торцов (цилиндрическая оболочка), изготавливаемые известными способами, например ротационным выдавливанием, раскатыванием из толстостенных заготовок, штамповкой с последующем точением.

На фиг.1 изображен продольный разрез вала; на фиг.2 - сечение А-А фиг.1.

Вал содержит наружную деталь 1, внутренние детали 2, крепежные элементы 3, присоединительный фланец 4.

Вал работает следующим образом.

Работа вала заключается в передаче крутящего момента от одной детали к другой при помощи присоединительных фланцев 4. В результате воздействия комплекса внешних нагрузок на поверхности наружной детали 1 вала образуются и развиваются микротрещины, приводящие к снижению и нарушению его работоспособности.

Важно то, что двигатель или любой другое устройство, в котором используется данный вал, в целом сохранит свою работоспособность даже при разрушении наружной детали 1, так как внутренние детали 2 вала, изготовленные из более прочного материала, чем наружная деталь 1 вала, будут продолжать выполнять свою функцию - передачу крутящего момента.

Контроль поверхности наружного вала осуществляется визуально или такими известными методами, как токовихревой, ЛЮМ, ЦМ (цветная магнитодефектоскопия).

Обнаружение дефектов является руководством для проведения профилактических и ремонтных работ деталей, связанных с работой вала, включая мероприятия по проверке взаимных биений, непараллельности и неперпендикулярности поверхностей, перекосов осей и т.п. При выявлении отклонений от заданных значений этих параметров проводятся ремонтные работы по их приведению в соответствие с заданными значениями. Эти мероприятия позволят снизить нагрузки на внутреннюю деталь 2 (внутренние детали), повышая их надежность и увеличивая ресурс.

При ремонте вала демонтируется и заменяется только его меньшая часть - наружная деталь вала, что позволяет снизить стоимость ремонта.

Сборка вала осуществляется следующим образом.

Количество и толщина стенок деталей 1, 2 определяются заданной толщиной вала в зависимости от условий эксплуатации. Геометрические параметры вала могут быть следующие: толщина h вала - от 1,0 до 30 мм, наружный диаметр D вала 30 -250 мм, длина L вала - до 2500 мм.

При сборке детали 1, 2 подбирают относительно друг друга по наружным и внутренним поверхностям таким образом, чтобы обеспечить между ними натяг от 4 до 30 мкм. Длина L всех деталей 1, 2 вала одинакова. Внутренняя деталь 2 предварительно охлаждается известными способами, например в жидком азоте. В результате охлаждения происходит уменьшение ее размеров, после чего она свободно вводится внутрь на всю длину наружной детали 1. Во избежание фреттинг - коррозии на стенки деталей 1, 2 наносится электрофорез.

Соединение деталей 1, 2 друг с другом может осуществляться разными способами: точечной сваркой, заклепками, болтами со скругленными по диаметру вала шайбами, специальными клеями и т.п. Фланцы 4 присоединяются к собранному валу.

В случае, когда внутренних деталей 2 больше одной, операция сборки аналогична вышеизложенной, т.е. каждая последующая внутренняя деталь 2 устанавливается внутри предыдущей.

При разборке вала сначала производят демонтаж соединения наружной и внутренней деталей между собой. Неразъемные элементы удаляются механически (например, высверливаются), разъемные - вывинчиваются. Съем верхней детали (а также, в случае необходимости, и других деталей) осуществляется после ее нагрева электрическим током или охлаждения жидким азотом внутренней детали (через внутреннюю полость). При необходимости наружная деталь может удаляться механическим способом, например точением. Наружная деталь идет в отбраковку.